納米銀的抑菌機理及其在食品儲藏方面的研究進展

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(1.鄭州輕工業學院,河南鄭州 450000;2.河南省生物技術開發中心,河南鄭州 450000;3.河南省科學院同位素研究所有限責任公司,河南鄭州 450000)

納米技術是研究結構尺寸在1～100 nm范圍內材料的性質和應用的一種技術,納米材料具有較高的表面能、較大的比表面積和獨特的小尺寸效應,表現出宏觀傳統材料所不具備的物理、化學和生物方面的特性[1],是人們研究的熱點方向,于近十年來得以迅速發展。自18世紀以來,銀便用于傷口的處理,納米銀作為特殊形態的銀,抑菌性能更強且穩定。在20世紀20年代,美國食品和藥品管理局正式指出納米銀材料可用于傷口消毒處理[2]。納米銀對多種致病菌都具有高效的抗菌作用,且不易產生耐藥性,這些特性使納米銀在抗菌方面具有廣闊的前景。納米銀能夠催化加速乙烯的分解,加入包裝材料中可以對細菌、霉菌起到良好且持久的抑制作用。同時,納米銀性質較穩定,耐光及耐熱性能好,能夠一定程度減少光照等外界環境因素對食品質量造成的影響。這些讓納米銀在食品儲藏方面有了更好的應用[3]。

1 納米銀的抑菌機理

目前關于納米銀的抑菌機理已有較多的研究報道,普遍認為,納米銀通過以下幾個方面起到抑菌作用,如圖1所示(修改自Durán et al[4]):

圖1 納米銀抑菌機理圖示Fig.1 Figure of nano silver inhibition mechanism注:1-通過靜電吸引,納米銀附著到細胞表面,破壞細胞壁,與細胞膜相互作用;2-誘導自由基的產生,滲透性發生變化,細胞內容物泄漏;3-與DNA相互作用,破壞DNA結構;4-抑制蛋白質合成和功能。

1.1 破壞細胞壁正常功能

納米銀會破壞細胞壁并且影響細胞壁的正常功能[5]。謝小保等[6]以大腸桿菌為對象研究了納米銀的抑制機理,利用電鏡觀察到納米銀首先作用于大腸桿菌的細胞壁,使其產生諸多小孔,并且通過這些小孔進入大腸桿菌的周質空間,進而與細胞膜作用并破壞其完整性,然后納米銀會進入細胞內部,影響DNA,使其與細胞內物質聚集并流失。Matsumura等[7]研究表明,納米銀會與細菌的細胞壁發生一系列的化學反應,并且破壞菌體的細胞壁。

1.2 與細胞膜成分相互作用

納米銀在細菌細胞膜上的累積與細胞膜結構的異常有關,其特征在于使細胞表面上“形成凹坑”[8-12]。納米銀能與細菌膜的脂質部分作用,以增加不飽和膜脂肪酸的反式/順式比值,并且引起脂肪酸組成的改變,膜的流動性改變,誘導滲透性增加,進一步破壞細胞膜的完整性并阻礙細胞膜功能的正常發揮[13-14]。在亞毫摩爾濃度的銀處理條件下,真菌、革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌中都觀察到了膜的不穩定性[15]。細胞膜的損傷可以使納米銀到達細胞質并與含硫蛋白質、酶以及DNA互相作用[16-18]。王靜等[19]認為納米銀對細胞膜的損害是納米銀抗菌的主要機制,納米銀破壞磷脂膜,然后進入細胞,并且會影響膜電勢,抑制細胞對一些重要物質的吸收,進而影響細菌的生長。同時,薛海燕等[20]研究表明,使用安石榴苷制成的納米銀溶膠可以破壞膜的完整性,增加細菌細胞膜的滲透性,進而抑制細菌生長。

1.3 誘導自由基生成

ROS(需氧細胞在代謝過程中產生一系列活性氧簇)的產生是納米銀對細菌毒性的關鍵機制[21]。Kim等[22]使用電子自旋光譜研究納米銀誘導產生的自由基與觀察到的抗菌作用的關系,結果表明這些自由基損傷了細菌的細胞膜,進而抑制了細菌的生長。類似地,Danilczuk等[23]在ESR研究中發現納米銀誘導了自由基的產生。Soo-Hwan等[24]進一步證實了這些結果,通過研究納米銀對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性及機理,表明產生自由基導致了膜滲透性增加和乳酸脫氫酶失活,進而引起蛋白質的斷裂。Kora等[25]的研究證實了ROS對納米銀的抗菌作用與膜損傷是具有關聯的,并證明了是納米銀使細胞內產生ROS。而納米粒子可以通過擾亂氧化劑和抗氧化過程之間的平衡來加速細胞內氧化應激,造成致病菌體內ROS的積累量超出正常水平,進而導致細胞死亡[26]。董耀華等[27]也證明了納米銀被氧化的速率與抑菌效果是正相關的關系。

1.4 破壞DNA結構

DNA對于生物遺傳信息的傳遞,實現生命的結構和功能都具有重要作用。納米銀會損傷細菌DNA的結構并且抑制其功能[28]。Vishnupriya等[29]通過拉曼光譜和等離子體共振成像技術研究了由檸檬酸鹽還原制得的納米銀對大腸桿菌的抑制機理,研究發現大腸桿菌的DNA在納米銀處理的1 h后開始降解,導致細菌核苷酸特異性下降,這一研究結果表明納米銀可以損傷細菌的DNA。Ouda等[30]研究了納米銀對變形桿菌以及克雷伯氏菌屬的抗菌活性和機制,結果顯示這兩種細菌都被抑制,同時細胞壁破裂,細胞組分變得紊亂,基因組被破壞。這種破壞性作用加速DNA的降解并導致DNA復制缺失,從而抑制細菌的生長。

1.5 蛋白質失活

納米銀體積很小,能夠進入細胞,然后作用于菌細胞內部的酶蛋白中的巰基,與其結合并使其失去活性[31]。Li等[32]發現納米銀會抑制大腸桿菌的呼吸鏈中脫氫酶的活性,并且納米銀的濃度與大腸桿菌中脫氫酶的活性呈負相關。方婷[33]用納米銀處理煙曲霉孢子發現,納米銀可通過破壞煙曲霉孢子的蛋白質,導致其變性,從而影響了細胞膜和細胞壁的結構及功能,達到抑制作用。Hwang等[34]用納米銀對大腸桿菌進行一系列的研究,發現納米銀會阻礙其內部中一些蛋白質的正常表達,通過影響蛋白質功能的正常發揮,來達到抑菌的效果。

2 納米銀在食品儲藏及保鮮方面的應用

納米銀物理和化學性質穩定,將納米銀加入其它材料中,能夠提高其力學性能、殺菌特性、阻隔特性等[35]。納米銀在食品儲藏方面應用廣泛,主要是通過納米銀包裝材料和納米銀涂膜2種形式來達到保鮮和延長貨架期的目的(表1)。

2.1 納米銀包裝材料

食品包裝使食品流通更加方便,在儲藏過程中達到保護食品和延長食品保存時間的作用。納米銀具有特殊的比表面積及尺寸,具有傳統材料不具備的物理性質,且易降解,保護環境。在包裝材料中加入納米銀,還可以同時利用納米銀抗菌及氧化乙烯的作用,達到更好的保鮮效果。納米銀在包裝材料方面的用途廣泛,形式多樣,有保鮮膜、包裝袋等。

2.1.1 納米銀保鮮膜 使用納米銀保鮮膜,可以提升瓜果蔬菜在儲存及保藏時的保鮮質量和時間,減少因病蟲或霉變所引起的損失[48]。史君彥等[38]以黃瓜為實驗對象,發現使用含有納米銀的保鮮膜包裝可以減少黃瓜水分的散失和硬度的下降,有效延緩黃瓜中葉綠素、可溶性蛋白、可溶性固形物、VC含量的降低,增強黃瓜中過氧化氫酶以及過氧化物酶的活性,并使黃瓜具有良好的外觀指數。這些感官指標和生理指標證明在保鮮材料中加入納米銀,可以有效提高黃瓜的保鮮效果。楊文建等[49]用納米銀、納米二氧化鈦等材料制備了包裝薄膜,實驗表明其能夠有效延長雙孢蘑菇的儲藏時間,降低雙孢蘑菇儲藏期間的營養損失,保護雙孢蘑菇的感官品質。羅晨等[50]研制出用于水產食品儲藏時使用的納米銀保鮮薄膜,研究得出其對蝦仁的冷藏具有良好的作用,可有效延長蝦仁的保質期。

表1 各種形式納米銀的儲藏方面特點及實例Table 1 Storage characteristics and examples of various forms of nano-silver

2.1.2 納米銀包裝袋 納米銀包裝袋可以增加食品包裝的拉伸強度和儲藏特性,更好的保護食品。宋益娟等[40]分別采用普通聚乙烯包裝袋和納米銀聚乙烯包裝袋包裝新鮮醬鴨,在4、25 ℃的條件下進行儲藏,且每過7 d對醬鴨進行一次指標評價,共儲藏28 d。結果發現:納米銀聚乙烯包裝袋能夠更好的降低鴨肉中的揮發性鹽基氮的含量,有效抑制鴨肉中微生物生長,并且能更好的保持鴨肉原本的風味。周玲等[51]研制出了一種PE/Ag2O納米包裝袋,發現與PE保鮮袋相比,使用PE/Ag2O納米包裝袋對蘋果進行儲藏時,對果實的感官特性、失重率、抑菌性有更好的正面效果。王凡等[41]研究了含納米二氧化鈦、納米凹凸棒土、納米二氧化硅和納米銀的納米聚乙烯包裝袋在高濕(相對濕度85%)和高溫(37 ℃)環境下對淮稻5號大米保鮮品質的影響,結果表明相比于普通包裝材料,納米銀復合包裝材料可以有效減緩過氧化氫酶活力的下降,減少過氧化物的產生,抑制霉菌的生長,從而更好地保持了大米的色澤和風味。

2.1.3 其他形式包裝 除納米銀保鮮膜和納米銀包裝袋外,納米銀還有一些其他形式的包裝。張瑤等[42]將納米銀材料加入聚乙烯材料,制成納米銀塑料盒子和納米銀塑料袋,并對楊梅進行儲藏。結果發現納米銀包裝對楊梅果實呼吸并無抑制作用且能減少楊梅儲藏過程中的酸敗,提高好果率,保護楊梅中VC含量。王忠良等[43]研制出載銀殼聚糖涂布紙,發現這種納米銀和殼聚糖配合物制成的包裝有利于減少櫻桃儲藏過程中營養物質如VC的損失,增加櫻桃在常溫下儲藏的時間。

2.2 納米銀涂膜

納米銀涂膜技術廣泛應用于食品保鮮與儲藏方面,具有成本低、快捷方便,且保鮮效果明顯的優點。使用納米銀涂膜,一般不會對食品品質造成不良影響,且能明顯抑制細菌生長。劉麗萍等[52]將圣女果浸入納米銀溶膠后,使其表面覆蓋一層納米銀涂膜,隨著儲藏天數的變化檢測樣品的理化及感官指標。結果表明納米銀涂膜能夠改善圣女果的感官品質,對圣女果的營養成分和水分損失影響不明顯,具有良好的保鮮效果。一些常用冷凍干燥處理的海產食品,在冷凍干燥前使用納米銀涂膜處理產品具有更顯著的防腐效果。如李新林等[44-45]將鮑魚和海參用納米銀淀粉膜溶液涂膜,進行冷凍干燥,對樣品失水率變化以及微生物的總數進行檢測,結果表明納米銀涂膜不會影響產品冷凍干燥的速率,且會大幅度地減少產品儲藏過程中產生的微生物數量。曹雪玲等[46-47]采用微波加熱法得到納米銀膠,對葡萄和草莓進行涂膜,結果表明兩種水果在儲藏期間新鮮度的各項指標如失重率、好果率、總酸含量和還原糖含量等都優于空白組(無菌水浸泡處理的水果)。

3 結語與展望

納米銀制備簡單,具有優良的抑菌性能,不易產生耐藥性,如今已廣泛應用于醫學、工業和日常生活中。納米銀能廣泛抑制細菌、真菌和藻類的生長,據統計,在2015年全球每年生產的納米銀已達到約500噸,并有上升的趨勢[53]。但是由于納米銀具有潛在的細胞毒性[54],擴大生產和廣泛使用納米銀,可能會對生物體和生態系統造成影響。目前為止,納米銀對生物體的毒性影響尚未得到很好的證實[55],對納米銀的抑菌機制也并沒有定論。為了更好地發揮利用納米銀的優勢,將納米銀應用到食品儲藏保鮮領域,對于納米銀的生物安全性以及其抑菌機理依舊是研究人員需要深入了解和研究的課題。